นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงไปสู่พฤติกรรมที่วุ่นวายในระดับนาโนเมตร

นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงไปสู่พฤติกรรมที่วุ่นวายในระดับนาโนเมตร

Time Stamp: 27 กุมภาพันธ์ 2023 11:46 น.
โหนดต้นทาง: 1982382
27 ก.พ. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) พฤติกรรมโกลาหลโดยทั่วไปจะทราบได้จากระบบขนาดใหญ่ เช่น จากสภาพอากาศ จากดาวเคราะห์น้อยในอวกาศที่ถูกดึงดูดโดยวัตถุท้องฟ้าขนาดใหญ่หลายดวงพร้อมกัน หรือจากการแกว่งลูกตุ้มที่เกาะติดกัน อย่างไรก็ตาม ในระดับอะตอม ปกติแล้วเราจะไม่พบความวุ่นวาย – ผลกระทบอื่นๆ มีมากกว่า ขณะนี้ เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์จาก TU Wien สามารถตรวจจับข้อบ่งชี้ที่ชัดเจนของความสับสนวุ่นวายในระดับนาโนเมตร ซึ่งเป็นปฏิกิริยาทางเคมีกับผลึกโรเดียมเล็กๆ ผลลัพธ์ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร การสื่อสารธรรมชาติ (“การเกิดขึ้นของความสับสนวุ่นวายในระบบนาโนปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาแบบแบ่งส่วน”). Nanochaos บนนาโนคริสตัลโรเดียมที่ไม่สมมาตร Nanochaos บนนาโนคริสตัลโรเดียมที่ไม่สมมาตร (ภาพ: TU Wien

จากไม่ใช้งานเป็นใช้งาน – และกลับมาอีกครั้ง

จริงๆ แล้วปฏิกิริยาเคมีที่ศึกษานั้นค่อนข้างง่าย: ด้วยความช่วยเหลือของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่า ออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนเพื่อสร้างน้ำ ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของเซลล์เชื้อเพลิงเช่นกัน อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับสภาวะภายนอก (ความดัน อุณหภูมิ) อย่างไรก็ตาม ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ปฏิกิริยานี้จะแสดงพฤติกรรมการสั่น แม้ว่าสภาวะภายนอกจะคงที่ก็ตาม “คล้ายกับวิธีที่ลูกตุ้มแกว่งจากซ้ายไปขวาและย้อนกลับอีกครั้ง อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะแกว่งไปมาระหว่างที่แทบจะมองไม่เห็นและสูง ดังนั้นระบบตัวเร่งปฏิกิริยาจะแกว่งไปมาระหว่างสถานะที่ไม่ใช้งานและใช้งานอยู่” ศาสตราจารย์ Günther Rupprechter จากสถาบัน เคมีวัสดุที่ TU Wien ลูกตุ้มเป็นตัวอย่างคลาสสิกของสิ่งที่คาดเดาได้ หากคุณรบกวนมันเล็กน้อยหรือทำให้มันเคลื่อนไหวสองครั้งด้วยวิธีที่ต่างกันเล็กน้อย ลูกตุ้มจะมีพฤติกรรมเหมือนกันในวงกว้าง ในแง่นี้ มันตรงกันข้ามกับระบบวุ่นวาย โดยที่ความแตกต่างเพียงเล็กน้อยในเงื่อนไขเริ่มต้นนำไปสู่ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันอย่างมากในพฤติกรรมระยะยาว ตัวอย่างที่สำคัญของพฤติกรรมนี้คือลูกตุ้มหลายอันที่เชื่อมต่อกันด้วยแถบยางยืด

การตั้งค่าเงื่อนไขเริ่มต้นเดียวกันสองครั้งนั้นเป็นไปไม่ได้

“โดยหลักการแล้ว แน่นอนว่า กฎแห่งธรรมชาติยังคงกำหนดพฤติกรรมของลูกตุ้มอย่างชัดเจน” ศาสตราจารย์ ยูริ ซูคอร์สกี้ (TU Wien) กล่าว “หากเราสามารถเริ่มระบบลูกตุ้มคู่ในลักษณะเดียวกันได้สองครั้ง ลูกตุ้มก็จะเคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกันทั้งสองครั้ง” แต่ในทางปฏิบัติ มันเป็นไปไม่ได้: คุณจะไม่สามารถสร้างสถานการณ์เริ่มต้นเดิมขึ้นมาใหม่ได้อย่างสมบูรณ์แบบในครั้งที่สองเหมือนกับที่คุณทำในครั้งแรก และแม้แต่ความแตกต่างเล็กน้อยในเงื่อนไขเริ่มต้นก็จะทำให้ระบบมีพฤติกรรมแตกต่างไปจากครั้งแรกอย่างสิ้นเชิง เวลา - นี่คือ "เอฟเฟกต์ผีเสื้อ" ที่มีชื่อเสียง: ความแตกต่างเล็กน้อยในเงื่อนไขเริ่มต้นนำไปสู่ความแตกต่างอย่างมากในรัฐในเวลาต่อมา ขณะนี้มีการสังเกตเห็นสิ่งที่คล้ายกันมากระหว่างการแกว่งทางเคมีบนโรเดียมนาโนคริสตัล: "คริสตัลประกอบด้วยพื้นผิวนาโนเฟสต่างๆ มากมาย เช่น เพชรขัดเงา แต่มีขนาดเล็กกว่ามากตามลำดับนาโนเมตร" Maximilian Raab และ Johannes Zeininger ผู้ดำเนินการอธิบาย การทดลอง “ในแต่ละด้านเหล่านี้ ปฏิกิริยาเคมีจะแกว่งไปมา แต่ปฏิกิริยาด้านข้างเคียงจะประกอบกัน”

การเปลี่ยนจากคำสั่งไปสู่ความสับสนวุ่นวาย

ขณะนี้สามารถควบคุมพฤติกรรมการมีเพศสัมพันธ์ได้อย่างน่าทึ่ง โดยการเปลี่ยนปริมาณไฮโดรเจน ในตอนแรก ด้านหนึ่งจะครอบงำและกำหนดจังหวะเหมือนเครื่องกระตุ้นหัวใจ ด้านอื่นๆ ทั้งหมดจะเข้าร่วมและแกว่งไปในจังหวะเดียวกัน หากเพิ่มความเข้มข้นของไฮโดรเจน สถานการณ์ก็จะซับซ้อนมากขึ้น ด้านที่ต่างกันจะแกว่งไปมาด้วยความถี่ที่ต่างกัน แต่พฤติกรรมของมันก็ยังคงเป็นไปเป็นระยะและสามารถคาดเดาได้ดี อย่างไรก็ตาม หากความเข้มข้นของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นอีก ลำดับนี้จะพังทลายลงทันที ความโกลาหลชนะ การแกว่งไม่สามารถคาดเดาได้ ความแตกต่างเล็กน้อยในสถานการณ์เริ่มต้นนำไปสู่รูปแบบการแกว่งที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ซึ่งเป็นสัญญาณที่ชัดเจนของความโกลาหล “นี่เป็นเรื่องที่น่าทึ่งเพราะคุณคงไม่คาดหวังว่าจะมีพฤติกรรมวุ่นวายในโครงสร้างขนาดนาโนเมตร” ยูริ ซูคอร์สกีกล่าว “ยิ่งระบบเล็กลง การมีส่วนร่วมของสัญญาณสุ่มก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในความเป็นจริง เสียงซึ่งเป็นสิ่งที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากความโกลาหล ควรครอบงำพฤติกรรมของระบบ: น่าสนใจยิ่งกว่านั้นคือสามารถ "แยก" สิ่งบ่งชี้ของความโกลาหล" ได้ แบบจำลองทางทฤษฎีมีประโยชน์อย่างยิ่ง ซึ่งพัฒนาโดยศาสตราจารย์ Keita Tokuda (มหาวิทยาลัย Tsukuba)

การวิจัยความโกลาหลนำไปใช้กับนาโนเคมี

“การวิจัยเกี่ยวกับทฤษฎีความโกลาหลดำเนินไปเป็นเวลาหลายทศวรรษแล้ว และได้ประสบความสำเร็จในการนำไปใช้กับปฏิกิริยาเคมีในระบบขนาดใหญ่ (มหภาค) แต่การศึกษาของเราเป็นความพยายามครั้งแรกในการถ่ายโอนความรู้ที่กว้างขวางจากสาขานี้ไปยังระดับนาโนเมตร” กุนเธอร์ รัพเพรชเตอร์ กล่าว “การเบี่ยงเบนเล็กน้อยในความสมมาตรของคริสตัลสามารถระบุได้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยามีพฤติกรรมตามลำดับและคาดเดาได้ หรือในลักษณะที่ไม่เป็นระเบียบและวุ่นวาย นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับปฏิกิริยาเคมีต่างๆ และอาจรวมถึงระบบทางชีววิทยาด้วยซ้ำ”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก นาโนเวิร์ค